人類正在經(jīng)歷以新一代信息技術(shù)為代表的第四次工業(yè)革命，包括軌道交通在內(nèi)的交通運輸行業(yè)面臨著各種沖擊。交通問題是一個快速演變的現(xiàn)象，以信息化、數(shù)字化、自動化、自主化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、智慧化為發(fā)展潮流的未來理想交通具體將是什么模樣？未來是數(shù)字經(jīng)濟的時代，很多問題都可以通過仿真技術(shù)與方法進行先驗與后評估。本書共有11章，分別為緒論、軌道交通流特性、軌道交通運行信號控制原理與技術(shù)、軌道交通系統(tǒng)仿真經(jīng)典模型方法、軌道交通運行的同步仿真、城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)乘客路徑選擇行為模型與客流控制方法、軌道交通系統(tǒng)仿真典型軟件、數(shù)字軌道交通、軌道交通網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境的生成、城市軌道交通項目建設(shè)時序仿真優(yōu)化、軌道交通系統(tǒng)延誤仿真分析。
本書著重實用性與可理解性、易讀性，為交通運輸工程領(lǐng)域相關(guān)工程技術(shù)研究人員與高等院校、科研院所高年級本科生、研究生提供參考借鑒。
經(jīng)歷了機械化、電氣化、信息化三次工業(yè)革命后，當(dāng)前人類正在經(jīng)歷以新一代信息技術(shù)為代表的第四次工業(yè)革命，信息網(wǎng)絡(luò)、人工智能、清潔能源、先進制造等與交通運輸息息相關(guān)的領(lǐng)域呈現(xiàn)出群體躍進態(tài)勢。經(jīng)濟發(fā)展，交通先行。交通運輸是經(jīng)濟社會發(fā)展的基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)和服務(wù)性行業(yè)，對經(jīng)濟社會發(fā)展具有戰(zhàn)略性、全局性的影響。建設(shè)交通強國，是建設(shè)社會主義現(xiàn)代化強國的先行領(lǐng)域和戰(zhàn)略支撐。2019年全國客運量約176億人，旅客周轉(zhuǎn)量約35萬億人·km，貨運量約462億t，貨物周轉(zhuǎn)量超過19萬億t·km，全國范圍內(nèi)每分鐘近35萬人、89萬t貨物在流動。截至2020年底，全國綜合交通實體線網(wǎng)總里程超過550萬km，高速鐵路(38萬km)、高速公路(161萬km)、沿海港口萬噸級及以上泊位數(shù)(2 138個)、城市軌道交通運營里程(7 354 km)穩(wěn)居世界。
交通強國，鐵路先行，城軌擔(dān)當(dāng)。十四五時期是我國全面建成小康社會、實現(xiàn)個百年奮斗目標(biāo)之后，乘勢而上開啟全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家新征程、向第二個百年奮斗目標(biāo)進軍的個五年。2020年11月，《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》發(fā)布，明確提出加快城市群和都市圈軌道交通網(wǎng)絡(luò)化。2021年2月，黨中央、國務(wù)院印發(fā)《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》，分析預(yù)測旅客出行需求穩(wěn)步增長，高品質(zhì)、多樣化、個性化的需求不斷增強，預(yù)計20212035年旅客出行量(含小汽車出行量)年均增速為32%左右，貨物運輸需求穩(wěn)中有升，高價值、小批量、時效強的需求快速攀升，預(yù)計20212035年全社會貨運量年均增速為2%左右，明確國家綜合立體交通網(wǎng)由集約高效的線網(wǎng)體系和樞紐體系構(gòu)成。到2035年，高速鐵路將達(dá)到7萬km(含部分城際鐵路)，普速鐵路達(dá)到13萬km(含部分市域鐵路)，合計20萬km左右。高速鐵路網(wǎng)方面，形成以八縱八橫主通道為骨架、區(qū)域連接線銜接城際鐵路補充的高速鐵路網(wǎng)；普速鐵路網(wǎng)方面，重點圍繞擴大中西部路網(wǎng)覆蓋，完善東部網(wǎng)絡(luò)布局，提升既有路網(wǎng)質(zhì)量，推進周邊互聯(lián)互通；城際鐵路網(wǎng)方面，京津冀、長三角、粵港澳大灣區(qū)、成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟圈等重點城市群率先建成，其他城市群城際鐵路逐步成網(wǎng)，研究推進超大城市間高速磁懸浮通道布局和試驗線路建設(shè)，有力支撐全國123出行交通圈和全球123快貨物流圈，實現(xiàn)人便其行，貨暢其流。到2050年，建成橫貫東西、縱貫?zāi)媳�、陸海�?nèi)外聯(lián)動，地面、地下、水上、空中統(tǒng)籌協(xié)同，銜接高效、優(yōu)勢互補、效率的國家綜合立體交通網(wǎng)，實現(xiàn)人享其行，物優(yōu)其流。
當(dāng)前世界正面臨著百年未有之大變局，國內(nèi)正轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革蓬勃發(fā)展，包括軌道交通在內(nèi)的交通運輸行業(yè)也面臨新的發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)，交通問題是一個快速演變的現(xiàn)象，以信息化、數(shù)字化、自動化、自主化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、智慧化為發(fā)展潮流的未來理想交通具體將是什么模樣？依據(jù)《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》，加快提升交通運輸科技創(chuàng)新能力，推進交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化、網(wǎng)聯(lián)化，到2035年基本實現(xiàn)國家綜合立體交通網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施全要素全周期數(shù)字化，未來是數(shù)字經(jīng)濟的時代，很多問題都可以通過仿真技術(shù)與方法進行先驗與后評估。交通仿真作為仿真科學(xué)在交通領(lǐng)域的應(yīng)用分支，是隨著系統(tǒng)仿真的發(fā)展而發(fā)展起來的。它以相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)工程和交通工程領(lǐng)域的基本理論和專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)。以計算機為主要工具，采用數(shù)字方式或圖形方式描述動態(tài)交通系統(tǒng)，利用系統(tǒng)仿真模型模擬交通系統(tǒng)的運行狀態(tài)。交通仿真技術(shù)是智能技術(shù)的一個重要組成部分，是計算機技術(shù)在交通工程領(lǐng)域的一個重要應(yīng)用，它可以動態(tài)地、逼真地仿真模擬各種交通現(xiàn)象，復(fù)現(xiàn)交通流的時空變化，深入地分析交通系統(tǒng)關(guān)鍵元素(列車、車輛、駕駛員、客流、交通網(wǎng)絡(luò))的特征，有效地進行交通規(guī)劃、交通運營組織與管理、交通能源節(jié)約與物資運輸流量合理化等方面的研究。
仿真有助于培養(yǎng)工程意識和系統(tǒng)集成的思想，有助于運用系統(tǒng)的思想思考問題，運用工程技術(shù)的方法解決問題，把握軌道交通的發(fā)展脈搏，突出與軌道交通運輸生產(chǎn)實際的聯(lián)系，利用仿真技術(shù)實現(xiàn)存量資源優(yōu)化利用，增量資源合理提升，推進基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)與運輸網(wǎng)、信息網(wǎng)、能源網(wǎng)融合發(fā)展，提高交通運輸網(wǎng)動態(tài)運行管理服務(wù)智能化水平，輔助教學(xué)、科研、工程實踐決策。
本書由山東科技大學(xué)張嘉敏博士、中國鐵路濟南局集團有限公司青島機務(wù)段張嘉銳工程師共同編著。圍繞軌道交通系統(tǒng)仿真理論方法與技術(shù)應(yīng)用，在提煉總結(jié)作者學(xué)術(shù)研究成果與工程實踐的基礎(chǔ)上，亦參考編譯了國內(nèi)外部分優(yōu)秀學(xué)者的相關(guān)文獻，內(nèi)容翔實豐富。本書共有11章，分別為緒論、軌道交通流特性、軌道交通運行信號控制原理與技術(shù)、軌道交通系統(tǒng)仿真經(jīng)典模型方法、軌道交通運行的同步仿真、城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)乘客路徑選擇行為模型與客流控制方法、軌道交通系統(tǒng)仿真典型軟件、數(shù)字軌道交通、軌道交通網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境的生成、城市軌道交通項目建設(shè)時序仿真優(yōu)化、軌道交通系統(tǒng)延誤仿真分析。
本書可以作為有關(guān)軌道交通系統(tǒng)仿真系統(tǒng)性論著的必要補充，著重實用性與可理解性、易讀性，為交通運輸工程領(lǐng)域相關(guān)工程技術(shù)研究人員與高等院校、科研院所高年級本科生、研究生提供參考借鑒。由于研究水平和時間投入有限，書中難免有錯漏，歡迎廣大讀者批評指正。
張嘉敏，張嘉銳
2021年8月
1緒論/1
1.1中國鐵路及高速鐵路發(fā)展?fàn)顩r/1
1.2中國城市軌道交通發(fā)展?fàn)顩r/7
1.3軌道交通仿真研究的必要性與現(xiàn)實意義/10
2軌道交通流特性/12
2.1軌道交通客流特性/12
2.1.1軌道交通客流時空特性/12
2.1.2軌道交通主要客流統(tǒng)計指標(biāo)/14
2.1.3軌道交通客流預(yù)測及其后評估/16
2.2軌道交通貨流特性/19
2.2.1高速鐵路快捷貨物特性/19
2.2.2中歐班列開行模式/21
2.3軌道交通列車流特性/22
2.3.1列車虛擬編組系統(tǒng)/23
2.3.2虛擬編組系統(tǒng)條件下的列車移動/26
3軌道交通運行信號控制原理與技術(shù)/29
3.1列車運行間隔控制/30
3.1.1列車間隔理論/30
3.1.2列車運行控制原理/32
3.1.3閉塞控制原理/38
3.2自動列車防護系統(tǒng)/43
3.2.1自動防護系統(tǒng)的類別/43
3.2.2歐洲列車控制系統(tǒng)/44
3.2.3中國列車控制系統(tǒng)/46
3.2.4精確列車控制系統(tǒng)/48
3.3軌道交通全自動運行系統(tǒng)/49
3.4下一代城市軌道交通列車控制系統(tǒng)：自主化列車控制和自主化運營/50
3.4.1實現(xiàn)自主化的目的/50
3.4.2自主化與自動化的比較/51
3.4.3自主化的概念/51
3.4.4自主化等級/52
3.4.5自主化列車和自主化運營的預(yù)期效益/53
4軌道交通系統(tǒng)仿真經(jīng)典模型方法/54
4.1交通仿真技術(shù)的三種抽象化類型/54
4.2標(biāo)準(zhǔn)化的軌道交通數(shù)據(jù)格式RailML/56
4.3軌道交通規(guī)劃與運行的多尺度仿真/57
4.3.1引言/57
4.3.2軌道交通仿真建模概述/58
4.3.3多尺度仿真建模的方法/60
4.3.4混合仿真模型的設(shè)計/63
4.3.5軌道交通仿真軟件方案的實際應(yīng)用和未來發(fā)展/64
4.4元胞自動機模型/65
4.4.1184號模型與一維NS模型/66
4.4.2列車移動的基本元胞自動機模型/67
4.4.3接近車站時列車移動的元胞自動機模型/68
4.5列車跟馳模型/70
4.6可替代圖AG/74
4.6.1經(jīng)典的作業(yè)-車間調(diào)度問題/74
4.6.2析取圖模型/74
4.6.3可替代圖模型閉塞條件下的作業(yè)車間調(diào)度問題/75
4.6.4鐵路調(diào)度問題的建模表示/77
4.6.5可替代圖的應(yīng)用與求解方法/78
5軌道交通運行的同步仿真/80
5.1同步仿真的組成/81
5.1.1基礎(chǔ)設(shè)施資源/81
5.1.2仿真執(zhí)行主體/82
5.1.3仿真任務(wù)/83
5.2同步仿真的工作流程/84
5.2.1仿真的初始化和終止/84
5.2.2同步仿真的單處理步驟/85
5.2.3請求資源/85
5.2.4分配資源/85
5.2.5推進仿真任務(wù)/87
5.3事件驅(qū)動的仿真/87
5.3.1事件驅(qū)動仿真的原理/87
5.3.2同步仿真中事件列表與事件處理/88
6城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)乘客路徑選擇行為模型與客流控制方法/90
6.1路徑選擇行為的影響因素/91
6.2城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)及客流性質(zhì)/92
6.2.1客流性質(zhì)/92
6.2.2路網(wǎng)的表示/92
6.3城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)廣義出行費用的計算/92
6.4城市軌道交通乘客網(wǎng)絡(luò)路徑選擇研究方法/93
6.4.1路徑選擇研究的主要過程/93
6.4.2有效路徑/93
6.4.3Logit模型及其改進形式/94
6.4.4基于正態(tài)分布的概率分布模型/95
6.4.5多智能體仿真/95
6.4.6使用大數(shù)據(jù)計算匹配概率以AFC數(shù)據(jù)為例/96
6.4.7城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)路徑選擇經(jīng)典方法比較/97
6.5基于大數(shù)據(jù)的城市軌道交通乘客網(wǎng)絡(luò)行為預(yù)測與流量控制框架/97
6.5.1城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)客流量控制相關(guān)研究/97
6.5.2基于大數(shù)據(jù)的城市軌道交通乘客網(wǎng)絡(luò)路徑選擇行為綜合預(yù)測與流量控制框架/98
7軌道交通系統(tǒng)仿真典型軟件/99
7.1軌道交通仿真軟件的方法類型/99
7.2面向?qū)ο蠓抡媾c基于XML數(shù)據(jù)格式的仿真/103
7.3OpenTrack仿真軟件/104
7.4RailSys仿真軟件/107
7.5AnyLogic仿真軟件/111
7.6RTC仿真軟件/113
7.7PULSim仿真軟件/117
7.7.1軌道交通仿真的應(yīng)用和現(xiàn)有仿真工具的局限/117
7.7.2PULSim的模型、工作流程和圖形用戶界面/118
7.7.3PULSim的調(diào)度機制/119
7.7.4基于銀行家算法的死鎖避免/121
7.7.5基于用戶的可編輯仿真/121
7.8其他軌道交通專業(yè)仿真軟件/系統(tǒng)/123
8數(shù)字軌道交通/126
8.1數(shù)字軌道交通的概念與架構(gòu)/126
8.2數(shù)字軌道交通的新方法和發(fā)展趨勢/128
9軌道交通網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境的生成/132
9.1道路網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的典型軟件路網(wǎng)環(huán)境仿真過程建模和幾何表示/132
9.2城市軌道交通線網(wǎng)形態(tài)結(jié)構(gòu)基本類型/134
9.3軌道交通網(wǎng)絡(luò)建模與仿真方法/135
9.4基于NetLogo城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境生成/137
9.4.1城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的幾何物理特征/138
9.4.2NetLogo仿真原理與適用性/139
9.4.3城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)環(huán)境生成NetLogo仿真流程/139
9.4.4城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)環(huán)境生成NetLogo仿真代碼示例/140
9.4.5城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)NetLogo仿真案例/145
10城市軌道交通項目建設(shè)時序仿真優(yōu)化/147
10.1城市軌道交通項目建設(shè)時序評價指標(biāo)體系/147
10.2基于蒙特卡羅仿真改進的層次分析法/149
10.2.1層次分析法/149
10.2.2蒙特卡羅仿真改進的層次分析法/149
10.3蒙特卡羅仿真改進的層次分析法仿真確定城市軌道交通項目建設(shè)時序具體應(yīng)用/150
10.4城市軌道交通項目建設(shè)時序仿真代碼/155
11軌道交通系統(tǒng)延誤仿真分析/160
11.1列車運行的離散事件動態(tài)系統(tǒng)描述/160
11.2可靠性的衡量標(biāo)準(zhǔn)之一：準(zhǔn)時性/161
11.2.1傳統(tǒng)的可靠性衡量標(biāo)準(zhǔn)/161
11.2.2新的可靠性衡量指標(biāo)/162
11.3延誤的定義、分類與仿真過程/163
11.4延誤傳播模型/165
參考文獻/167
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